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1、目錄1. 前言41.1 海底溢油及觀測方法41.1.1 水面溢油41.1.2 水下溢油51.2 海上溢油觀測方法研究現(xiàn)狀61.2.1 海上溢油演化與歸宿分析61.2.2 水面溢油監(jiān)測技術(shù)71.2.3 水下溢油檢測方法71.3 研究水下溢油的常用成像儀器9研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)介紹121.4結(jié)構(gòu) 本章小結(jié)13同軸數(shù)字全息系統(tǒng)原理與實驗系統(tǒng)構(gòu)建142.2.1 數(shù)字全息系統(tǒng)概述142.1.1 全息技術(shù)的特點142.1.2 數(shù)字全息技術(shù)簡介142.1.3 數(shù)字全息在海洋科學中的應用162.2 數(shù)字全息基礎理論172.2.1 全息的物理過程描述172.2.2 數(shù)字全息再現(xiàn)原理192.3 同軸

2、數(shù)字全息系統(tǒng)的建立202.3.1 系統(tǒng)組件選擇與儀器基本參數(shù)202.3.2 同軸全息的理論范圍222.4 同軸數(shù)字全息系統(tǒng)分辨率測試232.4.1 描述光波場的數(shù)學方法錯誤!未定義書簽。2.4.2 再現(xiàn)計算全息的菲涅爾算法232.4.3 計算全息的分辨率測試242.4.4 真實分辨率測試252.5 實驗結(jié)果及對比分析252.6 本章小結(jié)27數(shù)字全息方法研究水下油滴283.3.1 水下油滴的研究現(xiàn)狀283.2 同軸數(shù)字全息觀測水下油滴實驗293.2.1 實驗目的與實驗設計293.2.2 實驗步驟303.3 實驗數(shù)據(jù)處理313.3.1 圖像預處理313.3.2 焦平面選擇343.4 實驗結(jié)果統(tǒng)計分

3、析353.5 本章小結(jié)36水下油滴顆粒聚合物與溢油4. 374.1 水下油滴顆粒聚合物的形成374.2 油滴顆粒聚合物研究現(xiàn)狀394.2.1 各項因素對聚合物的影響404.2.2 對聚合物的理論分析與建模研究41基于同軸數(shù)字全息的水下油滴顆粒聚合過程研究435.51 基于同軸數(shù)字全息的油滴顆粒聚合物實驗435.1.1 實驗目的435.1.2 實驗設計與裝置435.1.3 實驗步驟445.1.4 實驗觀測初步結(jié)果455.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與數(shù)量分析465.2.1 二氧化鋯顆粒對油的吸附率465.2.2 二氧化硅顆粒對油的吸附率485.3 實驗結(jié)論495.3.1 定性分析結(jié)論495.3.2 定量分析結(jié)論

4、495.4 本章小結(jié)506. 總結(jié)與展望516.1 總結(jié)516.2 展望52參考文獻531. 前言1.1 海底溢油及觀測方法溢油因現(xiàn)代海洋石油工業(yè)和運輸業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生和加劇。作為庫存和運輸通道，海洋在可持續(xù)發(fā)展和人類的生產(chǎn)生活的愈加重要。首先，全球深海，對海洋經(jīng)濟的著眼點已經(jīng)從陸地轉(zhuǎn)向海洋甚至極地海洋，從淺海的開發(fā)與利用涵蓋油氣、固體礦產(chǎn)、生物、海水、海洋能源和海洋旅游等。自二十世紀初年海洋石油工業(yè)問世，美國以外的數(shù)百億噸可開發(fā)的和數(shù)千億噸儲量的海洋石油，成為有能源安全之虞的大國的。我國2012 年消耗近 5 億噸，自產(chǎn) 2 億噸，其中海洋石油產(chǎn)量占四分之一，相應的海底鉆探、油氣、輸油管線等工

5、程已成為海洋油氣開發(fā)的重要組成部分。根據(jù)最近十幾年來全球大型油氣田的勘探現(xiàn)狀統(tǒng)計，大約 69-70%的新增石油產(chǎn)量均源自海洋，其中在深海發(fā)現(xiàn)的儲量約占 45%-50%。據(jù)全統(tǒng)計，僅在我國渤海，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn) 7 個億噸級油田，建有 200 多座海上鉆井和采油平臺。而海域石油地質(zhì)儲量初步估計有 230-300 億噸，約占我國總儲存量的 1/3。其次，作為重要運輸通道，海洋承擔世界原油需求量三分之二的運輸任務，在航道上作業(yè)的油輪高達 7000 艘2。我國自 1996 年成為石油凈進口國之后，2005 年時原油進口量接近 1.4 億噸，2009 年時我國已成為第二大原油進口國，原油對外依存度超過了 50

6、%，預計到 2020 年我國的原油進口量將升至 2.5 至 4.3 億噸 3，其中95%漂洋過海而來。當海洋成為和世界經(jīng)濟發(fā)展的血庫和大動脈之時，其對經(jīng)濟政治意義不可小覷。而全球范圍內(nèi)不斷發(fā)生的海洋油輪擱淺、平臺、管道泄漏事故以及觸目驚心的水上、水下溢油等海洋污染、警醒我們，開發(fā)并且保護海洋已經(jīng)成為重要議題，惟其如此，人類對海洋環(huán)境依賴才能穩(wěn)固持久。1.1.1 水面溢油海洋中的溢油包括水面溢油和水下溢油兩類情況。水面溢油是指海上運輸或開采石油及其過程中發(fā)生意外事故在海水表面呈現(xiàn)的形態(tài)。由于油品密度與海水密度差異，溢油在事故初期漂浮于海面，綿延游弋。泄漏的石油需要幾周、幾個月甚至幾年的時間去，這

7、不但會帶來各種經(jīng)濟損失，還會對海洋環(huán)境造成難以消除的損害。水面溢油有不同的起因和來源，包括海運型污染、陸源型污染、大氣型污染及近岸化工廠排放造成的污染，但是主要為海洋石油生產(chǎn)運輸事故，即海上鉆井平臺事故、船舶溢油事故和海底管道泄漏4。1979 年 6 月 3 日墨西哥灣發(fā)生了最大的海上鉆井平臺井噴事故，原油以 4080噸/天的流量共計 45.36 萬噸，在 296 天中持續(xù)向海中和燃燒，使得墨西哥和美國的海岸受到嚴重污染5。2009 年 11 月 1 日，澳大利亞的金伯利海岸以北約 250 公里的一鉆井平臺發(fā)生爆裂，數(shù)百萬公升原油流入大海，污染面積 2.5萬平方公里，數(shù)以千計海鳥和海洋生物受到

8、威脅，殃及鄰近阿什莫島海洋生態(tài)保護區(qū)6。2010 年 4 月 20 日，美國歷史上最大的，也是世界第二大的海上石油泄漏，美國墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺發(fā)生，原油以 10 萬桶(1.6 萬立方米)/日速度泄漏，合計 490 萬桶(78 萬立方米)，污染面積 9900平方公里，范圍包括美國的阿拉巴馬、密西西比、路易斯安那和佛羅里達等地區(qū)的部分海岸5。而我國也不能幸免，2011 年日山東蓬萊油田發(fā)生我國最嚴重的海底溢油，使得 6200 平方公里海水受到嚴重污染，直接造成損害 16.83 億7。除了平臺事故，船舶事故也是一個水面溢油的主要類型。造成船舶溢油事故主要原因是觸礁和碰撞。1991 年到

9、2009 年期間的全球溢油污染事故中，有 53.7%是由油船等船只事故引起3。比如3 月，美國?？松镜挠洼啝柕掀澨栐诿绹⒗辜又莸耐踝訛秤|礁，泄漏原油 3.6 萬噸，污染面積 2.8 萬平方公里，污染海岸 2400 公里，魚類、海鳥和海豹等野生動物大量。據(jù)交通部海事局統(tǒng)計，我國在 1976 年至 1999 年期間共發(fā)生船舶溢油事故 2257 起，其中 60 噸以上的溢油事故共 46 起，溢油總量 17941 噸8。另料表明 1973年到 2010 年期間，我國沿海共發(fā)生大小船舶溢油事故 3 千多起，溢油總量達 4萬噸9。1.1.2 水下溢油水下溢油源自鋪設在海底的輸油管線泄漏，發(fā)生頻

10、率較高。資料顯示，僅墨西哥灣一處的管道事故年平均 4 起。同鉆井平臺導致的管道泄漏不同，這種由于物理化學原因產(chǎn)生的管道破裂而形成的溢油，因其過程緩慢、地點隱蔽、遠離視線，難于識別和控制。為此，國際上已經(jīng)建立數(shù)據(jù)庫，比如美國的 BSEE（安全環(huán)境局）、API(石油學會)、WOAD（世界海洋數(shù)據(jù)庫），英國 PARLOC(健康委員會)?！敬髮W 方娜 海底管道泄漏事故統(tǒng)計分析】目前我國尚未建立完整的數(shù)據(jù)體系，所以盡管擁有 6000 多公里的海底管道，其中九成的海底管道自投產(chǎn)以來從未進行任何清管維護，另外有大約 1000 公里的海底管道根本無法進行內(nèi)檢，海底油道存在嚴重隱患，油道安全事故 7 年內(nèi)累計達

11、 1000多起，油道事故率 3 次/1000 公里.年，遠高于美國的 0.5 次和歐洲的 0.25次。比如，2010 年 7 月 16 日，大連輸油管起火，根據(jù)估計，該事故造成的海岸帶環(huán)境污染和危害將持續(xù) 7 到 8 年。2011 年 10 月 14 日，在遼東灣北部錦州 9-3 油田海底運輸管線破損，造成寬約 30 米和長約 80 米的油膜6。這些典型事故使得管道溢油的防控成為當務之急。多年來，溢油問題的嚴重性催生了相關(guān)研究，相應的理論和技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，不過有關(guān)溢油研究的理論和方法完全以事故發(fā)生為導向，即重點在與事后應付。不斷升級的生產(chǎn)事故和環(huán)境的影響，從減少企業(yè)利益、危害人身安全擴大到威

12、脅海洋環(huán)境，甚至影響經(jīng)濟與政治，使得不得不對其加以關(guān)注。1.2 海上溢油監(jiān)測方法研究現(xiàn)狀溢油監(jiān)測的目的是把事故率在短期內(nèi)降到零，長期內(nèi)降到最小值。只有消除溢油事故才能保護海洋環(huán)境，這也是海洋石油安全生產(chǎn)和安全運輸?shù)哪繕恕崿F(xiàn)這個目標可以從兩個方面考慮，其一，防止事故為主，保持常態(tài)安全；其二，在意外事故出現(xiàn)后盡早發(fā)現(xiàn)并加以處理。前者需要有關(guān)企業(yè)從設備、等方面加強安全管理；后者則需要借助各種現(xiàn)代化分析甄別，根據(jù)海上溢油的演化與歸宿分析，實現(xiàn)溢油事故的快速發(fā)現(xiàn)與判斷。1.2.1 海上溢油演化與歸宿分析從時間序列看，溢油無論來自管道還是運輸油輪，都經(jīng)歷從最初溢油到出現(xiàn)大量海面浮油再到最后消散的演化過程

13、，具體可以劃分為五個階段： 初出，上浮，漂移，破碎、降解。其存在形態(tài)可以從最初進入水體的滴狀、上浮匯聚為膜狀、聚合片狀。1，初出階段：當溢油進入底層海水后，底層海水流將溢油沖散成間距較小的油滴狀；2，上浮階段：間距加大而呈現(xiàn)分散的油滴在整體上呈現(xiàn)羽狀油滴集群，溢油在海水浮力的作用下上浮流向海面，而上浮過程又會受到沿途各層海水流速的影響，不同密度的油滴上浮速度和時間也不盡相同；3，漂移階段：到達海面的油滴匯聚形成油膜。我國錦州油田海底運輸管線破損后，造成的油膜寬約 30 米和長約 80 米寬 30 米的油膜；深水地平線事故溢油油帶長達 480 公里、寬 40 公里；4，破碎階段：在海洋破碎波的作

14、用下，油膜破碎重新成為油滴，在水中懸??；5，降解階段：遇到顆粒物與油膜破裂形成石油懸浮顆粒聚合物，受重力和水流影響沉降或者懸浮并分散到更廣大水域，被生物降解10。由于石油是碳氫化合物，含有少量的硫、氟、氧和微量元素，所以被泄漏而進入到海洋環(huán)境后，原油或者成品油受到太陽光照產(chǎn)生劇毒的醛酮類11。表1-1 列舉了自然條件下石油的污染方式及其影響。表 1-1 海上溢油演化方式與歸宿1.2.2 水面溢油監(jiān)測技術(shù)第一，海上平臺監(jiān)測包括：利用可見光-反射紅外波段遙感技術(shù)數(shù)字化電視系統(tǒng)、激光熒光傳感器、電磁能量吸收傳感器。優(yōu)點是反應靈敏，可以進行全天候溢油監(jiān)測，而且還可以自動；缺點：目前所使用的激光熒光傳感

15、器和電磁能量吸收傳感器，監(jiān)測范圍太小，對于海上溢油的發(fā)現(xiàn)貢獻不大，溢油信息很難通過儀器自動處理識別，通常依靠肉眼觀察識別，因此該方法多用于特殊地點溢油監(jiān)測。第二，船舶遙感監(jiān)測包括：浮標跟蹤、航海和反射信息處理系統(tǒng)。優(yōu)點是與、飛機、船、潛水器及聲波探測設備一起組成現(xiàn)代海洋環(huán)境立可以承擔多種監(jiān)測任務；缺點是小目標不易發(fā)現(xiàn)，技體監(jiān)測系統(tǒng)，對于海岸術(shù)復雜，只有美國、英國等有限參與。第三，航空監(jiān)測包括：機載側(cè)視、紅外/紫外掃描儀、微波輻射計、航空攝像機、電視攝影機。優(yōu)點是具有部署靈活機動和遙感器可自由選擇，特別適合指揮清除和治理工作；缺點是相關(guān)儀器十分昂貴，而且受到天氣因素和環(huán)境條件的影響，在有霧等惡劣

16、天氣下，通常不能航行。第四，星、遙感監(jiān)測包括：陸地、法國斯波特、歐空局環(huán)境衛(wèi)、NOAA 系列、美國海洋水色。其優(yōu)點是監(jiān)測范圍大，全天候，圖像資料易于處理和解譯；缺點是重復觀測周期長，空間分辨率低，因此受到了一定的限制。1.2.3 水下溢油檢測方法水下溢油從溢出后因浮力而迅速上浮，同時受水流影響，在水體中橫向石油污染方式直接影響間接影響擴散風化石油毒素經(jīng)由呼吸進入動物和的體內(nèi)，損害健康藻類和魚類體內(nèi)富集毒素，通過食物鏈影響人類漂浮石油缺氧、吞食石油導致魚類及其他海洋哺乳動物海洋植物或微生物影響海洋動物能力、植物微生物繁殖滯留、沉積石油海底動物，譬如螃蟹、貝類幼蟲及小魚吞食受害導致上層生物鏈甚至人

17、類畸形、突變運移擴散到達海面。所以一旦在溢油監(jiān)測設備發(fā)現(xiàn)溢油之后，配合當時的海況及氣象條件，就可以反推出溢油點，進而及時封堵溢油點14。但是如果在溢油到達海面之前觀測到油滴，就可以根據(jù)其空間和的分布，在溢油進一步擴散和漂移之前對其進行處理，這樣不但可以減小工作量，還能降低溢油對海上環(huán)境的污染程度和范圍。所以對于溢油的處理來說，監(jiān)測與溢油階段的配合尤為重要。目前的研究有原位觀測方法模擬觀測方法和數(shù)學模型模擬方法。原位檢測方法強調(diào)在原始位置進行觀測。這一方法的優(yōu)點在于能取得任何模型都無法替代的真實數(shù)據(jù)，缺點是只能在實際海洋環(huán)境中進行觀測，研究成本高。除了現(xiàn)場原位實驗，類似于深水地平線這樣長程事故能

18、提供這樣的機會，但是要在事故中心 5 千米以外的海域進行。比如 Fefilatyev S.【, Kramer K., Hall L., goldgof D., et al.,Detection of anomalous particles from Deepwater Horizon Oil spill using SIPPER3 underwater imaging platform, 2011 IEEE 11th International Conference on Data Mining Workshops, 2011, 741-748】 等人借此進行了事故發(fā)生地附近海水中與溢油伴生的

19、各種顆粒分類研究，并實驗用顆粒影像儀來尋找油滴。OA Mikkelsen 等人【Mikkelsen O A, Hill P S, Milligan T G, et al. In situ particle size distributions and volume concentrations from a LISST-100 laser particle sizer and a digital floc cameraJ. Continental Shelf Research, 2005, 25(16):1959-1978.】運用激光粒度分析儀在美國和意大利兩處海域進行原位實驗比較儀器的識別性

20、能。過去幾十院在北海和挪威海完成一系列各種原油實驗性，挪威科技工業(yè)研究的全場實驗。1994年進行了水面溢油現(xiàn)場實驗，用 230 立方米的司徒雷混合北海原油制造兩條可回收浮油帶。1995 年他們進行了水下無氣體溢油實驗， 1996 年進行了水下 100 米深、2000 年水下 850 米深油氣混合型溢油實驗【Daling P S, Moldestad M Ø, Øistein Johansen, et al. Norwegian Testing of Emulsion Properties at SeaThe Importance of Oil Type and Releas

21、e ConditionsJ. Spill Science & TechnologyBulletin, 2003, 8(2):123-136.】模擬檢測方法是在鍵信息來指導實踐。比如在中模擬客觀條件，并且簡化條件參數(shù)，得出關(guān)條件方面研究溢油的數(shù)量、速度，在環(huán)境方面研究溫度、水流、海況等條件，在理化特性方面研究溢油進入水體形成穩(wěn)定的油包水形態(tài)的傾向性。這一方法被廣泛運用與顆粒物、分散劑、懸浮物的研究，而所有儀器的開發(fā)都是從但是由于客觀條件比如時間短的研究項目。起步。其優(yōu)點是直觀、具體、針對性強、調(diào)試方便。體積、微生物、水深等限制，僅適于次數(shù)少、體積小、數(shù)學模型檢測方法建立在對客觀數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

22、基礎之上，而且具有廣泛應用。Gopalan B 等人【Gopalan B, Malkiel E, Katz J. Measurements and Modeling of Size Distributions, Settling and Dispersion Rates of Oil Droplets in Turbulent FlowsJ. C.】對湍流中的油滴分布沉降速度進行數(shù)學模擬，為分散劑的使用提供依據(jù)。這樣高度復雜的湍流現(xiàn)象就可以通過數(shù)學模型以及相關(guān)參數(shù)來模擬和調(diào)整。挪威的風化模型 (OWM, e.g. Daling et al., 1997; Daling &

23、amp; Strøm, 1999)科技工業(yè)和溢油應急響應模型已經(jīng)得到廣泛應用 (Oil Spill Contingency and Response)(Aamo et al., 1996, 1997a,b; Reed et al., 1995 1997, 2001)上述三種方法在海洋溢油監(jiān)測方法可以用于監(jiān)測海洋中與溢油有關(guān)的氣泡、液滴、海洋雪、水包油團塊、浮游生物、懸浮顆粒物等，從顆粒、沉降速度、吸附量、體積、形態(tài)、軌跡等角度進行全面研究。而且，這些方法可以相互驗證。為了驗證研究和模型研究的結(jié)果，挪威科技工業(yè)在過去幾十年間進行一系列海上實驗。2000 年 6 月他們進行的深水實驗是從

24、 850 米深的水下油氣混合物，其目的是驗證模擬深水溢油的數(shù)學模型。在完成的三項實驗中，包括模擬單獨天然氣泄漏、非乳化形態(tài)的柴油、天然氣混合泄漏、天然氣原油混合泄漏分別持續(xù)一小時的狀況。1.3 研究水下溢油的常用儀器1.3.1. 究水下溢油的常用非成像儀器目前溢油事故動態(tài)跟蹤監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，針對油滴溢出現(xiàn)之后產(chǎn)生包括含有聲波、超聲波、放射性、光譜、和等信息的物理變化，現(xiàn)已開發(fā)研究的信號儀器主要有：管道梯度檢測儀、超聲波檢測儀、噪聲監(jiān)測、負壓波檢測、熱紅外檢測、放射性示蹤劑檢測、分布式光纖溫度傳感技術(shù)等，加之前述的部分海上溢油監(jiān)測如航海、潛水器及聲波探測設備，都可以在無論管道溢油還是運輸油

25、輪溢油的五個階段中，即初出，上浮，漂移，破碎、降解過程的監(jiān)測中發(fā)揮一定作用。這些1 儀器敏感性高，因為借助物理傳感器，可以信號，便于在溢油事故初期發(fā)現(xiàn)征兆；的優(yōu)點是：到微小的波動、亮度、聲音等2 數(shù)值化描述能力強，儀器儀表的測量結(jié)果能夠直接以數(shù)字化形式呈現(xiàn)出來，便于判斷溢油的數(shù)量與嚴重程度，因而決定應急響應的級別；3 能實現(xiàn)常規(guī)化網(wǎng)絡化監(jiān)測，這些儀器可以部署在海底管線附近，在復雜海底條件下和近岸地區(qū)可以加大密度，由這些檢測網(wǎng)絡匯聚的數(shù)據(jù)除了日常分析評價之外，還可以用于分析研究；4 成本較低，由于指標單一、設備簡單，所以溢油監(jiān)測的投入較少。同樣由于指標單一，這些設備的不足在于：1 不能形成綜合的

26、溢油狀態(tài)描述，仿佛在描述黑箱問題，要借助檢測的經(jīng)驗對累計數(shù)據(jù)進行判斷，因素影響大；2 沒有圖像信息的盲判會浪費人力物力，以逐步縮小搜索范圍的方式接近事故原點，會錯過控制事故的最佳時間。1.3.2 研究水下溢油的常用成像儀器顯而易見，成像設備會為水下溢油監(jiān)測、判斷和決策提供充分的信息。在深水地平線溢油事故中，Sergiy Fefilatyev 等人搭建的監(jiān)測異常顆粒物的水下成像平臺【Fefilatyev S, Kramer K, Hall L, et al. Detection of Anomalous Particles from the Deepwater Horizon Oil Spill

27、 Using the SIPPER3 Underwater ImagingPlatformC/ IEEE, International Conference on Data Mining Workshops. IEEE Computer Society, 2011:741-748.】，在事故海域得到 5 萬張圖像，對所觀察到的水下 13678 個顆粒中的8536 個顆粒聚合物和 1072 個油滴進行了詳細分類。【插圖：油滴的?！磕壳安捎玫乃鲁上裨O備主要有顯微類的透射光顯微鏡、共焦激光掃描顯微鏡、環(huán)境掃描電子顯微鏡；。透射光顯微鏡從樣品對面發(fā)光照到物鏡,通過它的光到達相機或目鏡進行圖像放大。對

28、于紫外線熒光顯微法,紫外線傳輸通過樣品。樣品的熒光團激發(fā)出比紫外線波長更長的光,熒光是選擇性地通過光譜發(fā)射過濾器,然后觀察和熒光圖像。因為芳烴被強紫外線激發(fā)時出自然熒光，紫外線熒光顯微鏡對油組分很敏感。此外,通過過濾長波長發(fā)射光消除不利的短波背景16。成本相對便宜,樣品和分析過程簡單。Lee 等人使用紫外線熒光和亮場透射光顯微鏡觀察化學分散的油滴顆粒物17。Khelifa 等人使用紫外線熒光顯微法描述礦物粒子,穩(wěn)定的油滴,發(fā)現(xiàn)油滴濃度隨油的粘度、溫度和瀝青質(zhì)含量降低,而油液滴的形狀和大小和滑油粘度沒有18。共焦激光掃描顯微鏡可以產(chǎn)生光學圖像與樣本深度選擇性和觀察粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu),而且通過總厚度

29、50 微米以上的熒光圖像樣本它得到很薄的(0.5-1.5 微米)區(qū)域圖像。該儀器對石油組分敏感,因其獨特的共焦顯微鏡的結(jié)構(gòu)，它能生成比熒光顯微鏡更清晰的圖像。然而,這種顯微鏡有通過點掃描樣品的限制,這不僅耗費時間,由于延長在共焦激光下，還可能改變樣本的屬性,導致圖像偏離其真實形態(tài)。Wang 等采用共焦激光掃描顯微鏡生成油和顆粒聚合物的圖像，發(fā)現(xiàn)與改性高嶺土顆粒相比原來的高嶺土顆粒(高疏水性)吸附的油滴19。Stoffyn-Egli 和 Lee 采用這種技術(shù)研究油和顆粒聚合物,發(fā)現(xiàn)礦物細顆?？赡艹霈F(xiàn)在油滴或聚合物表面20。環(huán)境掃描電子顯微鏡從高真空槍進入樣品室,通過電磁透鏡使光束集中,定于樣品表

30、面。當聚焦的電子小點(光束)掃描光柵形成的小樣本區(qū)域時,光束之間的交互電子和樣品生產(chǎn)各種信號被探測器收集,然后轉(zhuǎn)換成圖像21。環(huán)境掃描電子顯微鏡有更大的放大比(100000 倍),它可以研究溫度范圍從-200°C 到 1000°C 的樣品,并提供目標物表面詳細的三維形狀22。傳統(tǒng)的掃描電子顯微鏡只能觀察干燥和電絕緣材料23,而環(huán)境掃描電子顯微鏡采用微分抽水系統(tǒng),可以真空高壓把從槍區(qū)域轉(zhuǎn)移到樣品室,對自然狀態(tài)(較濕的樣品)成像快得多,也更容易24。Stoffyn-Egli 和 Lee 使用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察涂油礦物、礦物質(zhì)和油滴干燥樣品之間的關(guān)系20。簡而言之，常用水下研

31、究的儀器種類繁多，但由于水介質(zhì)具有散射效應和快速吸收能力導致激光衰減，使得水下探測設備成像噪聲高、距離短。從儀器的應用比較看，每一種顯微鏡都有其適用范圍，加之客觀條件限制，用擬方法研究水下溢油過程中的油滴與懸浮顆粒聚合物，需要斟酌使用：模表 1-5 水下溢油的常用儀器比較15通過以上比較和綜合考慮，為了更好地進行模擬觀測，需要設計一套針對油滴和懸浮顆粒聚合物的數(shù)字全息成像系統(tǒng)。首先，全息圖通過按時間序列三維圖像，提供符合人眼觀測視差關(guān)系的油滴、顆粒物或者顆粒聚合物的的圖，具有高分辨率、大景深，便于識別空間信息，并進行動態(tài)比較；其次，系統(tǒng)可以通過移動焦面獲得系列全息圖像，能在不同景深對觀測到對像

32、進行多焦面多達百次聚焦，而普通二維圖像只能一個焦平面地拍攝；此外，全息圖像單次觀測的空間范圍較大，足以觀測懸浮在水中小到微型油滴、顆粒，大到團塊聚合物等對象的狀態(tài)、運動、變化，為研究水下溢油相關(guān)課題提供了一種、無干擾、非接觸、真實可靠的先進觀測。1.4研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)介紹1.4.1 研究方法通過收集整理國內(nèi)外相關(guān)研究文獻了解到，目前對溢油污染沉積物的觀測實驗都是基于光學透射、反射及兩維成像等方法，這些方法的不足之處是不能提供所觀測空間內(nèi)目標物的空間位置變化信息；另一方面，通過研讀相關(guān)發(fā)現(xiàn)，在近岸溢油事故處理過程中，溢油的化學方法不利于環(huán)保，生物方法時間過長。相對而言，能迅速處理殘留油膜又對友好的

33、方法是拋灑礦物顆粒。在顆粒物的、種類、與不同油類在微觀尺度下的相互影響方面的研究不足，這制類型優(yōu)點局限性紫外熒光顯微鏡對油滴敏感，簡單，快速焦點之外圖像模糊，不適合定量研究共焦激光掃描顯微鏡圖像清晰，對油滴敏感， 具有光學分層能力成像時間長，成本高，弱化熒光信號環(huán)境掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)高費用昂貴，操作復雜，產(chǎn)生荷電效應顆粒影像評估儀為詳細檢測、分類提供可視化界面不對無法鑒定的顆粒進行識別同步掃描成像技術(shù)激光功率低對要求高條紋管水下激光三維成像技術(shù)采用扇形光束，視場擴大，三維成像國內(nèi)發(fā)展不外相對成熟偏振光水下成像技術(shù)對比度大，圖像清晰由于偏振導致信息減少，反射光能量小等特點。約了對污染懸浮物運

34、理的深入研究。在國內(nèi)外的研究工作基礎上，從數(shù)字全息成像及全息圖像處理方法等方面開展探索研究，以數(shù)字同軸全息，建立平臺，模擬溢油狀態(tài)，研究噴口附近油滴的空間密度分布，檢測小尺度顆粒與油膜相互作用，形成聚合物的過程、微觀形態(tài)、性質(zhì)，確定粒徑與吸附能力的關(guān)系，在信息獲取、測量研究領(lǐng)域，為油滴與油和顆粒聚合物關(guān)鍵參數(shù)測量的技術(shù)拓展提供支撐，進一步提高我國在海洋溢油觀測研究的國際地位。1.4.2結(jié)構(gòu)第一章主要介紹研究背景。通過分析海洋污染與溢油產(chǎn)生的原因，歸納整理現(xiàn)有的污染防治方法、理論、工具，本文的選題為運用無透鏡數(shù)字同軸全息成像技術(shù)，研究水下油滴與懸浮顆粒物聚合體。第二章以數(shù)字激光全息理論為基礎，設

35、計并搭建了無透鏡同軸數(shù)字全息系統(tǒng)，使用數(shù)字全息，通過數(shù)字全息系統(tǒng)分辨率測試，確定系統(tǒng)觀測范圍顆粒尺度等參數(shù)，并實驗結(jié)果進行對比分析。第三章運用所搭建的模擬水下溢油的實驗裝置，對實驗用油進行模擬實驗，用 CCD全息圖像，經(jīng)過重構(gòu)、預處理、參數(shù)提取，得到油滴空間位置密度數(shù)據(jù)分析資料。運用數(shù)理統(tǒng)計方法得出溢油初始狀態(tài)微觀尺度下油滴的分布規(guī)律第四章分析國內(nèi)外溢油的理論實踐資料，通過對當前應用顆粒物分類比較，對兩種顆粒樣品按不同粒徑與實驗用油形成聚合物，再用搭建的同軸全息系統(tǒng)觀測，得到原始全息資料，并經(jīng)過預處理之后，提取了圖像信息，第五章 運用統(tǒng)計方法，計算出同等質(zhì)量下顆粒物的種類、粒徑與所形成的聚合物

36、的平均直徑、石油吸附量的數(shù)量，分析粒徑與懸浮顆粒聚合體平均直徑的關(guān)系。第六章對本文進行總結(jié)，展望相關(guān)研究前景。1.5 本章小結(jié)在簡要介紹了研究背景、相關(guān)發(fā)展和研究方向之后，本章對現(xiàn)有溢油處理方法和相關(guān)技術(shù)進行了比較，論述了本課題的選題的依據(jù)，簡要介紹本文的后續(xù)內(nèi)容，并且強調(diào)了本文的特色與創(chuàng)新之處。2. 同軸數(shù)字全息系統(tǒng)原理與實驗系統(tǒng)構(gòu)建2.1 數(shù)字全息系統(tǒng)概述2.1.1 全息技術(shù)的特點全息（Holography）本意為全部的圖像信息。全息技術(shù)是對光場的，而不是單純圖像的成像技術(shù)。與傳統(tǒng)光學成像借助透鏡物體光場強度信號不同，全息圖可以物體發(fā)射的衍射信息，并且使衍射光能夠被重現(xiàn)，其位置和大小與之前

37、相同，即不僅了物體的振幅信息，而且了物體的位相信息，從而更加真實地反映了原物體,并通過全息圖儲存、重現(xiàn)、處理光學信息。全息技術(shù)是英國物理學家 Denise Gabor（1900-1979）在 1947 年對電子顯微鏡進行改進時意外發(fā)現(xiàn)并申請專利25。直到 1960 年激光技術(shù)出現(xiàn)，光學全息才顯示出優(yōu)越性。跟普通光學成像技術(shù)相比，全息技術(shù)能夠和再現(xiàn)觀測目標的三維信息，且具有較高的分辨率。非接觸式的觀測方式，可在不破壞樣本原始結(jié)構(gòu)的條件下進行26。全息系統(tǒng)因為操作簡單，費用低廉以及對環(huán)境要求低而得到廣泛應用。2.1.2 數(shù)字全息技術(shù)簡介數(shù)字全息技術(shù)是現(xiàn)代計算機技術(shù)與光學相結(jié)合的產(chǎn)物。1967 年，

38、Goodman 和Lawrence 使用光敏電子成像器件全息圖，并把全息圖存入計算機，之后用計算機進行模擬再現(xiàn)，從此全息技術(shù)進入數(shù)字化發(fā)展階段27。數(shù)字全息技術(shù)大大簡化了復雜的傳統(tǒng)的光學全息方法。數(shù)字全息技術(shù)直接采用電耦合器件作為記錄材料接收全息圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的實時獲取和處理。再用數(shù)字化的方法模擬光衍射過程對全息圖像進行重建，實現(xiàn)了全息技術(shù)從到重建全過程的數(shù)字化，在數(shù)值重建過程中能同時得到光波場的強度和相位信息，數(shù)值重建還可以方便地進行數(shù)字聚焦，容易實現(xiàn)三維觀測。另外，當系統(tǒng)采用脈沖激光作為光源時，時間很短，可以有效避免圖像模糊。由于其避免了傳統(tǒng)全息中干板的濕處理，并且不需要物理再現(xiàn)過程，

39、具有實驗過程簡單方便、噪聲小、實驗結(jié)果直觀、實時處理等優(yōu)點。數(shù)字全息技術(shù)在近幾年來有了快速發(fā)展，光電圖像處理器、全息技術(shù)、計算機圖像處理、光敏材料和超短脈沖激光等技術(shù)使圖像的處理過程更加簡潔迅速，甚至實現(xiàn)了實時的、再現(xiàn)和信息提取，對應力、密度、質(zhì)量密度、溫度、振幅、彎矩、應變、位移或轉(zhuǎn)動等物理量能精確測量，從而可以對沖擊場、流場、應力場及生物過程等超快現(xiàn)象的無接觸無損傷確切診斷。隨著成像器件分辨率的提高和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，全息技術(shù)被應用在各種領(lǐng)域，已經(jīng)在形貌測量、顯微、檢測等多個領(lǐng)域得到了應用28，對醫(yī)學、生物學、海洋學影響也越來越突出，體現(xiàn)了它的廣闊的應用前景。計算全息（Computer

40、 Generated Holography，CGH）產(chǎn)生于二十世紀中后期。激光全息需要對真實存在的物體，利用光的衍射原理，借助參考光將物光波在感光材料上或者 CCD 內(nèi)，其前提是物體必須真實地物理地存在，能在激光照射下不同面產(chǎn)生不同的光強和相位。但是一些“理想”“概念化”的設計可能難以制作出來，但又必須以視覺形式呈現(xiàn)出來，如用于檢測的標準件或用于特殊光學信息處理的空間濾波器等，或者精微電子現(xiàn)這些功能。它將計算機技術(shù)和光全息結(jié)合，的設計。借助計算全息可以實光學全息。計算全息圖把與物光波有關(guān)的數(shù)學描述輸入計算機處理后，系統(tǒng)經(jīng)過運算，再通過適當方式再現(xiàn)全息圖。計算全息實現(xiàn)過程不需要真實物體的存在，可

41、以根據(jù)需要，設計物光波的具體數(shù)學表達式，所以其功能靈活，不僅可以描述不存在的物體，還可以對數(shù)字全息進行校正，或者實現(xiàn)多激光同步高速掃描。能力強，噪音小，且易于，可獲得很高的衍射效率。該技術(shù)已經(jīng)成功運用在三維顯示、空間濾波器、光學信息儲存、激光掃描等領(lǐng)域。圖 2-5 計算全息流程的邏輯框圖上圖為計算全息模擬的流程，具體環(huán)節(jié)包括：從內(nèi)存中觀測目標的圖像，計算物面抽樣數(shù)量，輸入波長、物面和物距等參數(shù)，計算光場分布，通過傅里葉變換進行衍射計算，計算像面，計算并顯示全息圖像，計算并再現(xiàn)圖像。在上述環(huán)節(jié)中，計算光場分布和計算再現(xiàn)是計算全息的兩個關(guān)鍵。2.1.3 數(shù)字全息在海洋科學中的應用近年來全息技術(shù)在海

42、洋科學的理論實踐中得到了較大發(fā)展，尤其是在對水下環(huán)境研究。George 應用全息技術(shù)分析懸浮顆粒聚合物的大小和沉降速度29； 徐元強、吳學成、Pu 等人分別用同軸全息技術(shù)研究顆粒識別30，31,32； Dominguez-Caballero 研究水生物的數(shù)字全息成像33；Owen 和 Zozulya 用同軸數(shù)字全息傳感器檢測和確定海中顆粒物34；Kuhn 等人用馬赫曾德爾數(shù)字全息顯微鏡描繪追海洋蹤微生物35；Satake 等用數(shù)字全息校準板進行粒子跟蹤與測速36；Ryle 等人通過對數(shù)字同軸全息顯微鏡系統(tǒng)的校準景深分析生物過程37； Graham 等人使用數(shù)字全息粒度分析儀測量具有復雜形狀的粒

43、子38；當溢油問題出現(xiàn)在海洋科學尤其海洋地質(zhì)科學的課題之中，同軸數(shù)字全息技術(shù)成為研究水下粒子的最佳。近年來，研究成果不計其數(shù)。例如 Lanadie等用同軸數(shù)字全息研究兩相流中顆粒速度39，Chen 等人用壓縮數(shù)字全息對油滴進行量化研究40；凡此種種，不勝枚舉，足以證明數(shù)字全息技術(shù)尤其是同軸數(shù)字全息技術(shù)對于相關(guān)研究意義。雖然目前同軸數(shù)字全息系統(tǒng)已廣泛應用于水下汽泡、懸浮顆粒、浮游生物、溢油油滴等觀測中，但是對同軸全息成像系統(tǒng)的在觀測溢油初期油滴的空間分布密度以及石油懸浮顆粒聚合物的等研究較少。2.2 數(shù)字全息基礎理論數(shù)字全息技術(shù)提供了測量物體光學相位數(shù)據(jù)的，以振幅、相位和偏振狀態(tài)給出物體三維表面

44、或者厚度信息，成為測量技術(shù)領(lǐng)域的強大工具。數(shù)字全息技術(shù)主要步驟：（1）全息圖像。通過 CCD 相機的全息圖信息包括光場的相位和振幅即光強等，把物理信息適當編碼為數(shù)字信息便于和運算。傳統(tǒng)光學只能振幅信息，全息技術(shù)能夠同時物體表面反射的振幅和相位信息，離軸數(shù)字全息全息參考光與物光的條紋，即光場內(nèi)的光強分布，而同軸數(shù)字全息光柵衍射信息。（2）數(shù)字全息圖像的重構(gòu)或再現(xiàn)。按照衍光強和相位信息，使用計算機來模擬光波場過程 ，用卷積算法、角譜算法和菲涅爾算法可以得到不同焦平面上的再現(xiàn)圖像。圖像處理和結(jié)果分析。對重構(gòu)后的再現(xiàn)圖像進行降噪、濾波、二值化等預處理，提高圖像質(zhì)量和實驗結(jié)果準確性，以便對實驗結(jié)果進行進

45、一步分析。（3）2.2.1全息的物理過程描述圖 2-1 全息圖像光路圖設目標物所在平面為（x0，y0）平面，介質(zhì)的位置為（x，y）平面，物光波和參考光波前在介質(zhì)上的復振幅分布為（2-1）（2-2）介質(zhì)上的總光場為（2-3）全息圖的光強分布為（2-4）式（2-4）中第一部分為物光波的光強，第二部分為參考光的光強，第三部分為項，包含了物光波的振幅和位相信息，而振幅和位相分別受到參考光的振幅和位相的調(diào)制41。設 CCD 靶面為 Lx×Ly，數(shù)字化離散采樣點為 Nx×Ny，則 x 和 y 方向的采樣間隔分別為x=Lx/Nx，y=Ly/Ny，CCD到的光強分布為（2-5）其中，u，v

46、=-N/2，-N/2+1，N/2-1，二維脈沖函數(shù)，rect 為代表 CCD 有效感光面積的矩形函數(shù)。2.2.2 數(shù)字全息再現(xiàn)原理數(shù)字全息再現(xiàn)過程是通過全息系統(tǒng)過得數(shù)字全息圖像后，使用計算機模擬光波場過程，根據(jù)衍射后的復振幅得到光強和相位信息，這一過程決定了再現(xiàn)圖像的質(zhì)量，因此再現(xiàn)過程是數(shù)字全息技術(shù)中關(guān)鍵的一部分42。常用的字全息再現(xiàn)算法包括卷積算法、角譜算法和菲涅爾算法。卷積算法基于瑞利-索末菲衍射衍射公式線性系統(tǒng)原理，其再現(xiàn)像的像素大小與再現(xiàn)距離無關(guān)，由 CCD 的靶面傅里葉變換，重建速度較慢。決定。但計算過程復雜需要進行三次角譜算法通過對頻域進行描述，把光波場轉(zhuǎn)化為頻域信息，經(jīng)過，再轉(zhuǎn)化

47、為空域而得到衍射后的光場。其重構(gòu)過程需要經(jīng)過傅里葉變換和傅里葉逆變換28，在計算息系統(tǒng)。過程中不存在近似，因此減少了誤差，但該算法不適合同軸全菲涅爾算法在基爾霍夫-索末菲衍射基礎上根據(jù)麥克斯韋理論出發(fā)建立的標量衍射公式，只需一次傅里葉變換就可得到光場分布，這在很大程度上簡化了計算的難度。這里著重介紹菲涅爾算法。定義一束相干光照射下，接收屏上的復振幅為 C(x，y)，則全息光波場可以表達為（2-6）其中 tb 為均勻偏振透過率。U1 和 U2 為衍射場的 0 級項，強度不均勻，U3 為衍射場的+1 級項，包含物光信息的原始像，U4 為衍射場的-1 級項，也稱為共軛像。O* 代表目標物的共軛光波。

48、當 C(x，y)=R(x，y)時，光源與參考光相同，代入公式（2-6），（2-7）（2-8）當 C(x，y)=R*(x，y)時（2-9）（2-10）由于采用同軸數(shù)字全息光路，參考光與物光難在拍攝過程中同時獲取，但物光強度遠小于參考光強度，直接將參考光強度看作數(shù)字全息圖中的零級項。2.3 同軸數(shù)字全息系統(tǒng)的建立為了研究模擬條件下油滴和相關(guān)聚合物，根據(jù)觀測對象和特性的特殊要求，需要設計并搭建高精度的數(shù)字全息成像系統(tǒng)。并對該系統(tǒng)進行校準實驗，對成像空間的不同位置的重構(gòu)圖像進行評估，確定最佳觀測尺度和范圍。圖 2-2 同軸數(shù)字全息成像實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖可以看到，基本要素如下。光源部分：

49、激光器準直部分：顯微物鏡，針孔，平凸透鏡部分：濾波器，CCD 相機軟件部分：Streampix5，ImageJ2.3.1 系統(tǒng)組件選擇與儀器基本參數(shù)（1）激光器：在分析目前可選的水下全息成像主要采用的激光光源并進行對比，譬如 Q 開關(guān)激光器、二極管激光器以及國內(nèi)的 He-Ne 激光器的優(yōu)缺點(體積、復雜性、功率、開關(guān)調(diào)制性能等)等綜合原因決定本實驗所采用激光器參數(shù)。表 2-3 激光器參數(shù)項目參數(shù)型號IQ1H70(660-100)G36海水在波長為 350-500nm 區(qū)間內(nèi)存在著一個透明窗口（即較低的吸收系數(shù)），從 500-700nm 的吸收系數(shù)之間增加，700-800nm 的吸收系數(shù)達到最高

50、值。由于浮游生物對紅光及紅外光譜不敏感，有利于進行無干擾觀測。另外，為避免過強的激光帶來的成像靶面飽和現(xiàn)象，在激光外部布置一個偏振器或衰減器來減弱光 強。（2）CCD 相機通過對目前水下全息成像可以選用的 CCD 相機進行對比，在幀速(Frame PerSecond， FPS)，像素分辨率、像素、功耗、靈敏度、動態(tài)范圍等方面詳細推敲，綜合考慮 CCD 與 CMOS 技術(shù)以后，確定實驗所采用相機參數(shù)如下。表 2-4相機參數(shù)（3）準直系統(tǒng)準直系統(tǒng)是使激光變?yōu)槠叫泄獾难b置，包括顯微物鏡，針孔和平凸透鏡。為了確保系統(tǒng)每一個部分中心位置相同，用籠式框架裝置來固定各個組件。激光從激光器發(fā)射出來后首先通過十

51、倍顯微物鏡進行匯聚，再經(jīng)過固定在自定心裝置上的直徑 5m 的針孔過形成點光源，再由焦距 150mm 的凸透鏡改變光路，使球面項目參數(shù)型號Genie TS-M4096像素分辨率4096´3072像素6.0mm最大幀速12fps動態(tài)范圍60dB輸出格式8 位或 10 位增益控制自動、手動及模式靶面24.6´18.4 mm觸發(fā)模式自動、編程以及外部觸發(fā)功耗4.5 5.5 W生產(chǎn)廠家TELEDYNE DALSA波長660 nm功率100mW調(diào)制速率連續(xù)-100MHz上升沿時間2 ns延遲10 ns光束擴散角< 1 弧度波拓展和準直為平面波。顯微物鏡的位置可以通過螺旋千分尺在

52、X，Y，Z 軸位置進行微調(diào)。2.3.2同軸全息的理論范圍圖 2-3 全息系統(tǒng)光路示意圖以及觀測物體的大小等共同決定了觀測區(qū)域的范圍。激光波長、CCD 靶面，當物體被一組相干平面波照射，并且在參考光束平行于光軸時被投影到 CCD 目標表面上時，空間頻率。條紋之間的距離被稱為條紋空間周期x 的倒數(shù)稱為（2-11）其中角度是衍射光和 Z 軸的角度。 CCD 光電檢測器陣列可以區(qū)分的最大空間頻率由 CCD（即 CCD 的像素）決定。根據(jù) Shannon 采樣原理，1 條紋周期記錄需要至少 2 像素，即 2N =x，N 是 CCD 表面元素的邊長。（2-12）因為接近 0 和N =6.0m，所以（2-1

53、3）物體和 CCD 之間的距離（Dmin）也可以由物體（L0）和 CCD（LCCD）的長度來描述。（2-14）由于 LCCDx= 24.6mm，LCCDy=18.4mm，可以得到 L0 和 Dmin 之間的線性關(guān)系：L0x=0.11Dmin-24.6（2-15）L0y=0.11Dmin-18.4（2-16）圖 2-4L0 和 Dmin 之間的線性關(guān)系在一定范圍內(nèi)，觀測窗口隨 D 的增加而變大，但當物體和 CCD 之間的距離過大時激光會嚴重衰減，也會導致分辨率下降。此外，由于采用的是無透鏡成像，因此不必透鏡帶來的像差影響。2.4 同軸數(shù)字全息系統(tǒng)分辨率測試數(shù)字全息系統(tǒng)搭建之后，需要對其性能進試并

54、按照實驗要求進行調(diào)整。測試的過程首先進行計算全息模擬與實際測量的分辨率進行比對。其次，以標準顆粒為觀測對象，通過重構(gòu)圖像獲得的顆粒參數(shù)與實物信息對比，最終確定系統(tǒng)的最佳觀測范圍。2.4.1 再現(xiàn)計算全息的菲涅爾算法菲涅爾變換算法是基于菲涅爾衍射理論，需要滿足菲涅爾近似條件。首先，假設目標物與光源距離較遠；其次，為簡便計算，在傍軸條件下光場可近似表示為（2-30）上式即為菲尼爾衍射公式，其中 U0 為光場在衍射面上的復振幅，d 是觀察面到衍射屏的距離，F(xiàn)FT 為快速傅里葉變換。2.4.2 計算全息的分辨率測試首先，輸入原始二維圖像和其他必要參數(shù)。用均勻一致的 660 納米平面波，CCD 觀測屏幕接受垂